Titanpulver für die additive Fertigung (AM) ermöglichen den 3D-Druck von starken, leichten Titankomponenten für die Luft- und Raumfahrt, die Medizin und die Automobilindustrie. Dieser Leitfaden behandelt die Zusammensetzung von Titan-AM-Pulvern, ihre Eigenschaften, Zerstäubungsproduktionsmethoden, Anwendungen, Spezifikationen, Preise und Vergleiche.
Überblick über Titan AM-Pulver
Titan AM-Pulver sind feine Titanpartikel, die speziell für additive Fertigungsverfahren wie Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) und Direct Energy Deposition (DED) optimiert sind.
Mit hoher Reinheit (>99% Ti), kontrollierter Partikelgrößenverteilung und guten Fließeigenschaften sind Titan-AM-Pulver Ausgangsmaterialien, die in dünnen Schichten aufgetragen, selektiv von Lasern Schicht für Schicht aufgeschmolzen und zu endkonturnahen 3D-Druckteilen verfestigt werden.
Wichtige Eigenschaften, die Titan für AM attraktiv machen:
- Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
- Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
- Biokompatibilität und Nicht-Toxizität
- Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten
- Maßgeschneiderte Geometrien möglich
- Kosteneinsparungen durch Designflexibilität
- Verbesserung des Buy-to-Fly-Verhältnisses
AM erweitert die Anwendungsmöglichkeiten von Titan über Schmiede- und Gussteile hinaus auf die Bereiche Luft- und Raumfahrt, Medizin, Schifffahrt und chemische Verfahren.
Zusammensetzungen der Titan-AM-Pulvervarianten
Zu den gängigen chemischen Varianten von Titan-AM-Pulver gehören:
Tabelle 1: Hauptzusammensetzungen von Titan-AM-Pulvern
| Klasse | Zusammensetzung | Merkmale |
|---|---|---|
| Ti 6Al 4V ELI | 6% Al, 4% V, 0,08% max O | Am häufigsten verwendete Titanlegierung |
| Ti 6Al 4V | 6% Al, 4% V, 0,2%max O | Strangpresslegierung für die Luft- und Raumfahrt |
| Reines Titan | 99,7% Ti, 0,10%max O | Hohe chemische Beständigkeit, geeignet für Implantate |
| Ti 5553 | 5% Al, 5% Mo, 4% V | Höhere Festigkeit |
| Ti 64 | 6% Al, 4% V | Wärmebehandelbar, Verwendung in Düsentriebwerken |
Neben Sauerstoff sind auch andere Spurenverunreinigungen wie Fe, C, N und H auf ein Minimum reduziert. Die Legierungen bieten Festigkeit und Temperaturbeständigkeit, während Reintitan Biokompatibilität bietet.
Speziallegierungen wie Ti 5553 und Ti 64 eignen sich für Nischenanwendungen in der Raumfahrt und im Verteidigungssektor, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit erfordern.
Produktionsmethoden für Titan AM-Pulver
Die Gaszerstäubung ist das vorherrschende kommerzielle Verfahren zur Herstellung von sphärischen Titanpulvern, die für AM-Prozesse geeignet sind:
Tabelle 2: Überblick über die Herstellung von Titan-AM-Pulver durch Gasverdüsung
| Schritt | Beschreibung |
|---|---|
| Schmelzen von Rohstoffen | Titanblöcke/-splitter, geschmolzen mit einem Plasmalichtbogen in schützendem Argon |
| Schmelze gießen | Strom geschmolzenen Metalls, der in die Zerstäuberdüse gegossen wird |
| Gaszerstäubung | Inerte Argon-Hochgeschwindigkeitsstrahlen zerlegen den Schmelzestrom in feine Tröpfchen |
| Pulversammlung | Die kugelförmigen Partikel verfestigen sich und werden in der Kammer gesammelt. |
| Siebung | Spezifische Partikelgrößenverteilungen, die mit Vibrationssieben getrennt werden |
Die Zerstäubung mit Argon anstelle von Stickstoff minimiert die Kontamination des Pulvers. Das Inertgas verhindert auch pyrophore Risiken und ermöglicht eine sicherere Handhabung des Pulvers.
Spezialisierte Systeme erhöhen die Anzahl der produzierten Feinstpartikel <100 Mikrometer, um die Produktivität des AM-Prozesses durch verbesserte Pulverbettpackung und Schichtauflösung zu steigern.
Wichtige Eigenschaften und Merkmale
Wesentliche Merkmale von Titan-AM-Pulvern sind:
Tabelle 3: Typische Eigenschaften von AM-Pulvern aus Titan
| Eigentum | Merkmale |
|---|---|
| Reinheit | >99% Titangehalt |
| Verunreinigungen | <1000 ppm Sauerstoff bevorzugt |
| Partikelform | Überwiegend kugelförmig |
| Partikelgröße | 15-45 Mikrometer üblich |
| Durchflussmenge | 28-35 s/50g Hall-Durchflussmesser unterstützt die Druckfähigkeit |
| Dichte des Gewindebohrers | ≥2,5 g/cc verbessert die Bettfüllung |
| Hausner-Verhältnis | <1,25 gewährleistet guten Pulverfluss |
| Scheinbare Dichte | Dichtebereich enge Verteilung <5% für Konsistenz |
Neben der chemischen Zusammensetzung bestimmen Partikeleigenschaften wie eine konsistente kugelförmige Morphologie, eine gleichmäßige Größenverteilung, die Fließgeschwindigkeit des Pulvers und die Dichte die Akzeptanzraten für den präzisen AM-Druck.
Die Erfüllung der Anwendungsanforderungen in Bezug auf Biokompatibilität, Oberflächengüte, Modulbereiche, Härte und dynamische Belastbarkeit hängt von der Qualität der geeigneten Pulver ab.
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FGH95 Ni-Basis-Legierungspulver | Nickellegierungspulver -
CMSX-4 Nickellegierungspulver | Nickellegierungspulver -
Ni-Fe-Mo Weichmagnetisches Pulver | Nickellegierungspulver -
Ni-Cr-Mo-Legierungspulver | Nickellegierungspulver -
Nickel-Titan-Legierungspulver | Nickel-Legierungspulver -
Nickel-Aluminium-Legierungspulver | Nickel-Legierungspulver -
MCrAlY-Legierungspulver | Nickellegierungspulver -
Nickel-Chrom-Legierungspulver | Nickel-Legierungspulver -
Hartlötpulver auf Nickelbasis
Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten von Titan AM-Pulver
Komplexe, leichtgewichtige gedruckte Teile, die mit Titan-AM-Pulvern hergestellt werden, dienen kritischen Anwendungsbereichen wie:
Tabelle 4: Wichtige Anwendungsbereiche für Titan-AM-Pulver
| Industrie | Anwendungen |
|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Laufräder, Teile der Flugzeugzelle und des Triebwerks |
| Medizinische | Orthopädische und zahnmedizinische Implantate, Prothetik, chirurgische Instrumente |
| Automobilindustrie | Pleuelstangen, Ventile, Getriebeteile |
| Chemisch | Kolonnen, Katalysatorgehäuse, korrosionsbeständige Behälter |
| Öl und Gas | Salzwasser-Rohrleitungen/Pumpengehäuse, Unterwasserkomponenten |
| Verteidigung | Ersatzteile für Kampffahrzeuge wie Hubschrauberspindeln werden vor Ort gedruckt |
Vorteile gegenüber der herkömmlichen Titanbearbeitung - kürzere Vorlaufzeiten durch Rapid Prototyping, Möglichkeit zur Herstellung komplexer hohler oder bionischer Formen durch Topologieoptimierung, weniger Ausschuss, da keine subtraktiven Verfahren erforderlich sind.
Spezifikationsstandards für Titan AM-Pulver
Zu den weltweit anerkannten Spezifikationen für die Qualifizierung von Titan-AM-Pulverchargen gehören:
Tabelle 5: Wichtige Spezifikationsstandards für Titan-AM-Pulver
| Standard | Messaspekt und Akzeptanzkriterien |
|---|---|
| ASTM F3049 | Definiert die Eigenschaften von AM-Pulvern, die mit Methoden wie Laserbeugung, SEM, Fließfähigkeit und Zusammensetzungsanalyse getestet werden |
| ASTM B809 | Umreißt die Methodik der Siebanalyse zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung |
| ISO 13879-1 | Spezifiziert das Verfahren zur Prüfung der reversiblen Durchlässigkeit (Hausner) |
| ASM F3301 | Standard für die additive Fertigung von Titanlegierungen wie Eli-Grade-Zusammensetzungen |
| AMS 7008 | Spezifikation für Werkstoffe für die Luft- und Raumfahrt, die gaszerstäubte Titanlegierungspulverarten umfasst |
Diese Normen dienen als Leitfaden für geeignete Prüfmethoden, Gerätekalibrierung, Messverfahren, Probenahmepläne und Konformitätskriterien zur Charakterisierung der einzelnen Pulverchargen.
Globale Anbieter und Preisgestaltung
Da es sich bei Titan-AM noch um einen aufstrebenden Markt handelt, liegen die Pulverkosten zwischen $70 bis $270 pro kg basierend auf:
Tabelle 6: Die wichtigsten Faktoren für die Preisgestaltung von Titan-AM-Pulver
| Parameter | Preisentwicklung |
|---|---|
| Zusammensetzung | Ti 6 4 Eli-Sorte am teuersten |
| Produktionsverfahren | Gaszerstäubung kostet mehr als Plasmazerstäubung |
| Konsistenz der Sphärizität | Höhere Kontrolle der Kreislaufwirtschaft verursacht zusätzliche Kosten |
| Partikelgrößenverteilung | Prämie für eine engere Verteilungstoleranz |
| Reinheitsgrade | Geringere Sauerstoff- und Stickstoffverunreinigungen erhöhen den Preis |
| Bestellmenge | Mittlere bis große Mengen rechtfertigen Rabatte |
Tabelle 7: Die wichtigsten globalen Anbieter von Titan-AM-Pulver und ihre Preisspannen
| Unternehmen | Klassen | Preisspanne |
|---|---|---|
| AP&C | Ti 6 4, Ti 6 4 Eli | $100-270/kg |
| Tekna | Ti 6 4, Ti 6 4 Eli | $150-250/kg |
| Zimmerer-Technologien | Ti 6 4 Eli, reine Ti-Sorten | $80-220/kg |
| VSMPO | Ti 6 4, Ti 6 Al 4 Vanadium | $75-180/kg |
| ATI-Pulvermetalle | Ti 6 4 Eli, Ti-Al-Mo-Legierungen | $90-240/kg |
Die Preise hängen vom Umfang der Qualifizierungsversuche der Käufer, den Aufschlägen der Vertriebskanäle und der Verfügbarkeit geeigneter Zerstäubungskapazitäten ab.
Vergleich der Vor- und Nachteile von Titan gegenüber alternativen AM-Pulvern
Tabelle 8: Vergleich zwischen Titan und anderen metallischen AM-Pulvern
| Parameter | Titan | Rostfreie Stähle | Aluminium-Legierungen | Inconel |
|---|---|---|---|---|
| Dichte | 4,5 g/cc | 7,9 g/cc | 2,7 g/cc | 8,4 g/cc |
| Stärke | Kombination aus hoher Festigkeit und Steifigkeit | Stärkere | Mittlere Stärke | Stärkste |
| Kosten | $$ | Niedrigste | $ | $$$$ |
| Thermische Eigenschaften | Geringe Leitfähigkeit | Widersteht höheren Temperaturen | Hohe Leitfähigkeit | Höchste Temperaturbeständigkeit |
| Chemische Beständigkeit | Ausgezeichnet - einschließlich Salzwasser | Anfällig für einige Säuren/Chloride | Zersetzt sich bei Salzeinwirkung | Beste Korrosionsbeständigkeit |
| Magnetisch | Nicht-magnetisch | Ferritische Sorten sind magnetisch | Nicht-magnetisch | Schwach magnetisch |
| Komplexität drucken | Mäßig; einige Unterstützungsstrategien erforderlich | Hohe Komplexität erreicht | Tückische Überhänge und Brücken | Hochkomplexe Formen druckbar |
Für Anwendungen, die Biokompatibilität und hohe Festigkeit erfordern, wie Zahnimplantate und Prothetik, bieten AM-Pulver aus Titan maßgeschneiderte Lösungen. Nichtrostende Stähle eignen sich thermisch besser für Hochtemperatur-Dampfturbomaschinenkomponenten. Inconel erfüllt Nischenanforderungen an die Korrosionsbeständigkeit.
FAQ
F: Wie werden sich die Preise und die Verfügbarkeit von Titan-AM-Pulver in naher Zukunft voraussichtlich verändern?
Da in den nächsten zehn Jahren mehr Gaszerstäubungskapazitäten aufgebaut werden, um dem Wachstum der AM-Teileproduktion gerecht zu werden, wird der verstärkte Wettbewerb die Preis- und Verfügbarkeitsdynamik von Titan-AM-Pulver verbessern und es dadurch erschwinglicher machen. Auch Preissenkungen bei den Maschinen werden die Einführung von AM fördern.
F: Welche Nachbearbeitungsschritte sind bei as-gedruckten AM-Titanteilen in der Regel erforderlich?
Die Nachbearbeitung umfasst die Entfernung von Halterungen durch Bearbeitung/Strahlen, die Oberflächenbehandlung durch Strahlen oder Glasperlenstrahlen, um Spannungen abzubauen und die Anforderungen an die Oberfläche zu erfüllen. Optional - Heißisostatisches Pressen (HIP) zur weiteren Verdichtung komplexer innerer Strukturen in kritischen Bauteilen.
F: Wie lässt sich beim Umgang mit reaktivem Titan-AM-Pulver eine Kontamination vermeiden?
Verwenden Sie Schutzgashandschuhe, um den Kontakt mit Hautölen usw. zu vermeiden. Spezielle Siebe für Titan verwenden, die nicht für Stähle verwendet werden. In inerten, versiegelten Originalbehältern lagern. Exposition gegenüber der Raumatmosphäre begrenzen. Verarbeitung vor langfristiger Lagerung bevorzugen.
F: Welche AM-Druckparameter müssen in der Regel angepasst werden, wenn die Größe oder Legierung des Titanpulvers geändert wird?
Die Anpassung der Pulverschichtdicke an die Größe des Laserspots beeinflusst den optimalen Energieeintrag. Der Übergang zwischen Ti 6 4 und 6 4 ELI beeinflusst die thermischen Profile. Größere Pulvergrößen verbessern die Baugeschwindigkeit, verringern aber die Auflösung - die Abstimmung der Parameter trägt zur Sicherung der Teilequalität bei.
